蘭州市土地利用變化研究

高秉麗，高雅彬

(蘭州博文科技學院 工程管理學院，甘肅 蘭州 730101)

1 引言

土地利用變化是全球環境變化、氣候變化和可持續發展研究的核心領域和重要內容[1]。土地利用是人類活動行為對地球表層系統作用的表征，是全球環境變化的主要原因之一，也是人類活動與自然生態環境交互的紐帶[1～3]。隨著對全球變化研究的不斷深入，土地利用變化研究已成為地理學研究關注的焦點，同時也是相關學科研究的基礎。

蘭州市在中國西北地區處于“座中六聯”的獨特位置，是西北地區重要的中心城市、工業基地和綜合交通樞紐、絲綢之路經濟帶的核心節點城市，區域優勢明顯[4]。近年來，蘭州市土地利用結構受自然環境、政策及社會經濟等綜合影響發生了顯著變化，分析其總體土地利用演變，對蘭州市土地利用合理性選擇及可持續發展有重要意義。基于此，本文選取蘭州市為研究區域，以該區域2000、2010、2020年3期土地利用數據為基礎，通過ArcGIS軟件空間分析模塊，結合土地利用變化相關研究方法，對蘭州市近21年土地利用演變進行了系統分析，以期為蘭州市土地資源可持續發展提供參考。

2 研究區概況

蘭州市位于我國西北部、甘肅省中部(35°34′20″～37°07′07″N，102°35′58″～104°34′29″E)，總面積約1.31×104km2。蘭州市是中國陸地的幾何中心，同時是甘肅省政治、文化、經濟和科教中心，包括七里河區、城關區、安寧區、西固區和紅谷區以及榆中縣、皋蘭縣和永登縣。截至2020年底，全市戶籍人口為334.0萬人，城鎮人口和鄉村人口分別占全市總人口的73.69%和26.31%，國民生產總值2886.74億元，人均國內生產總值66680元。蘭州市屬于溫帶大陸性氣候，年均溫為10.3 ℃，年降水量347 mm，年平均蒸發量為1448 mm，水資源十分短缺。蘭州市地貌屬于黃土高原丘陵溝壑區，地勢西南高，東北低，海拔1421～3675m。

3 數據來源及研究方法

3.1 數據來源

蘭州市2000、2010、2020年3期土地利用數據源于中國科學院資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn/)，參照劉紀元等[5，6]建立的中國土地利用遙感制圖分類系統并結合研究區實際情況，將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6大類，數據解譯精度達95%[7]，空間分辨率為30 m×30 m，符合研究需求。蘭州市統計數據來源于《蘭州統計年鑒》(http://tjj.lanzhou.gov.cn/)。

3.2 研究方法

3.2.1 單一土地利用動態度

單一土地利用動態度表征區域不同土地利用類型在一定時段內的數量變化情況，對預測土地利用變化趨勢有積極作用，反映人類活動對單一土地利用類型的影響[8,9]。其計算公式：

(1)

式(1)中，K為T1至T2時段內第i類土地利用類型的動態度；i為第i類土地利用類型；T1、T2為研究時間節點，T2-T1為土地利用類型變化時段；Uit1、Uit2為T1、T2時間節點第i類土地利用類型的面積。

3.3.2 綜合土地利用動態度

綜合土地利用動態度描述土地利用變化速率的區域差異[10]。其計算公式：

(2)

式(2)中，S為T1至T2時段內的綜合土地利用動態度；i為第i類土地利用類型；n為土地利用類型總數，本文n=6；T1、T2為研究時間節點；ΔSi-j為T1至T2時段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的總和；Si為T1時間節點第i類土地利用類型的總面積。

3.3.3 土地利用轉移矩陣

北京大學房地產研究中心主任樓建波表示，《房產測量規范》提到的公攤面積計算方式在《住宅設計規范》中無相應體現，致使國內報批、設計、施工每個環節都不是特別清楚公攤如何計算，只能等著房子蓋出來，測繪部門最終來測公攤大小，導致出現不少亂象。

土地利用轉移矩陣描述不同土地利用類型間的轉移情況，更好表達土地利用類型格局的時空演變過程[11～13]。其計算公式：

(3)

式(3)中，Sij為時段內第i類土地利用類型轉為第j類土地利用類型的面積；n為土地利用類型總數。

3.3.4 土地利用結構信息熵

土地利用結構信息熵反映研究區在某階段土地利用類型的復雜程度及綜合性變化，熵值越大，不同土地利用類型越多，面積相差越小，結構越均衡[14，15]。其計算公式：

(4)

式(4)中，H為土地利用結構信息熵，Pi為第i類土地利用類型面積占區域總面積的比例。

本文引入均衡度增加信息熵的可信度，均衡度是表征土地利用均質情況的指標，值越高，土地利用結構的均質性越強[14]。其計算公式：

(5)

式(5)中，J為土地利用結構均衡度；H為土地利用結構信息熵；n為土地利用類型數量。由于H≤Hmax，可知J的取值在[0,1]之間，當J=0時表示土地處于最不均勻狀態，當J=1時表示土地利用類型達到理想的平衡狀態。

優勢度與均衡度的意義相反，反映研究區內一種或幾種土地利用類型支配該區域土地類型的程度。其計算公式：

I=1-J

(6)

式(6)中，I為土地利用結構優勢度，J為土地利用結構均衡度。

4 結果分析

4.1 土地利用類型結構變化

2000～2020年蘭州市的土地利用類型面積變化如表1所示。2000～2020年，草地、耕地和林地為蘭州市主導土地利用類型，其中，草地面積分布最廣，多年平均面積占比為59.86%；其次是耕地，多年平均面積占比為27.58%；林地多年平均面積占比為7.11%；建設用地、水域和未利用地多年平均面積僅占蘭州市總面積的5.45%(表1)。

表1 2000～2020年蘭州市土地利用類型面積統計

研究期間，蘭州市不同土地利用類型的面積變化存在差異。具體來看，耕地呈大幅減少趨勢，近21年共減少260.60 km2；林地和草地均呈先增加后減少的趨勢，近21年共減少1.66 km2、121.29 km2；水域、建設用地和未利用地均呈逐漸增加趨勢，其中，建設用地增加面積最多，為374.36 km2，新增加的建設用地主要集聚于永登縣和皋蘭縣的交界位置即蘭州新區。

4.2 土地利用結構信息熵

根據公式(4)～(6)計算得到2000～2020年蘭州市土地利用結構信息(表2)。2000～2020年，蘭州市土地利用結構信息熵和均衡度均有所上升，土地利用結構信息熵由2000年的1.020Nat逐漸上升到2020年的1.080Nat，土地利用結構均衡度由2000年的0.569上升至2020年的0.603，而優勢度有所下降。

表2 2000～2020年蘭州市土地利用結構信息

4.3 土地利用類型動態度變化

蘭州市各土地利用類型在不同時段內變化速率不同(表3)。2000～2010年，建設用地增長速度最快，達0.94%；未利用地、林地、水域面積增長速度較快，分別為0.38%、0.14%、0.06%；草地面積增長速度較慢，為0.01%；耕地面積呈減少趨勢，動態度為-0.17%。2010～2020年，建設用地變化速率最高，動態度為7.07%，可能原因為該時段蘭州市經歷了快速的城市擴張；未利用地和耕地次之，動態度分別為0.64%和-0.53%；水域增長速度持續增快，為0.20%；草地和林地的變化速率最低，分別為-0.16%和-0.15%。

表3 2000～2020年蘭州市土地利用變化動態度 %

從蘭州市綜合動態度來看，2000～2020年蘭州市綜合土地利用動態度呈持續增長趨勢，從0.43%增至2.95%。

4.4 土地利用類型轉移變化

基于ArcGIS軟件將不同時期蘭州市各土地利用類型面積疊加分析，獲得2000～2020年蘭州市土地利用轉移矩陣，探究不同土地利用類型轉移過程(表4、表5)。

由表4可知，2000～2010年，蘭州市耕地、林地和建設用地間的轉化極為顯著，其中，耕地減少幅度最大，轉為建設用地和林地的面積分別占耕地轉出總面積的45.57%和27.38%；建設用地和林地則大幅增加，前者由耕地、林地轉入的面積分別占總轉入面積的77.66%和17.05%，后者由耕地、草地轉入的面積分別占林地總轉入面積的87.78%和12.22%。

表4 2000～2010年蘭州市土地利用轉移矩陣 km2

2010～2020年，蘭州市耕地、建設用地和草地的轉化極為顯著，其中，耕地和草地的減少幅度最大，前者轉為建設用地和未利用地的面積分別占耕地轉出總面積的95.34%和2.69%，后者轉為建設用地和未利用地的面積分別占87.39%和8.14%；建設用地和未利用地則大幅增加，前者主要由耕地和草地轉入，共占建設用地轉入總面積的94.40%，后者由草地和耕地轉入的面積分別占65.57%和31.55%(表5)。

表5 2010～2020年蘭州市土地利用轉移矩陣 km2

5 討論與結論

從土地利用結構和土地利用動態度看，2000～2020年間，蘭州市的主導土地利用類型為草地、耕地和林地，且耕地、林地和草地均呈減少趨勢，水域、建設用地和未利用地呈逐漸增加趨勢。區域內各土地利用類型面積發生了較大變動，土地利用結構趨于均衡狀態，導致土地利用結構的均衡度和信息熵增大。從土地利用轉移矩陣看，2000～2010年，蘭州市僅耕地面積減少，其他土地利用類型面積均增加，且建設用地面積增加最多；2010～2020年，城市化發展速度較快，建設用地面積大幅增加，主要轉入來源為耕地和草地。

土地利用變化是典型的人地系統相互作用的過程[16～18]。從社會因素看，高速發展的經濟是土地利用變化的主要驅動因素[19]。蘭州市2000、2010、2020年的人均GDP分別為10387元/人、31336元/人和66680元/人，表明近21年該市人均GDP持續增長。2000～2020年蘭州市第一產業比重呈降低趨勢，第二產業和第三產業比重升高，產業轉型影響區域土地利用類型的變化和經濟的發展。從人口因素看，人類活動在一定程度上影響土地利用結構變化。2000、2010、2020年蘭州市人口分別為290.68萬人、323.54萬人和334萬人，表明近21年該市人口呈增長趨勢，人口增長促使該市建設用地擴張，近21年擴張了374.36 km2。此外，隨著蘭州市城鎮化進程加快，非農用地比重呈上升趨勢。從政策因素看，甘肅省1999年開始實施退耕還林政策，2000年開始實施天然林資源保護工程等[20]；同時，甘肅省和蘭州市出臺并實現了一系列“計劃”，如《甘肅省土地利用總體規劃(1997-2010年)》《甘肅省土地利用總體規劃(2006-2020年)》《蘭州市土地利用總體規劃(1997-2010年)》《蘭州市土地利用總體規劃(2006-2020年)》《蘭州市城市總體規劃(2011—2020年)》等，這些政策、“計劃”的實施及實現促使2000～2020年蘭州市土地利用格局發生巨大變化。